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谈数据中心供电系统的规划与设计

2013/11/28 14:05:36 作者：UPS应用来源：UPS应用
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我们生活在信息时代，数据中心是时代的产物。当前，数据中心建设的需求越来越多，用电量越来越大，机柜供电密度也越来越高。这对于其供电系统就提出了非常高的要求，这些要求概括起来主要是两个方面：高可信度和降低能耗

　　UPS应用网：田老师您好！您在数据中心供配电设计方面有着多年的实践经验，数据中心的可靠性、可用性和能耗决定于其设计水平，对此您有何看法？
　　
　　田博光：我们生活在信息时代，数据中心是时代的产物。当前，数据中心建设的需求越来越多，用电量越来越大，机柜供电密度也越来越高。这对于其供电系统就提出了非常高的要求，这些要求概括起来主要是两个方面：高可信度和降低能耗。
　　
　　可用性＝可靠性+可维护性+可扩展性；
　　
　　可信度＝可用性+安全性+适应性
　　
　　从上可见，在可信度中包含了可用性和可靠性。可靠性主要取决于设备自身的质量和性能，一般可以通过平均无故障时间（MTBF）来定量标度；可用性依赖于系统解决方案，取决于系统结构的设计，一般通过“9”的个数来度量，例如：5个“9”，表示一年时间内，99.999%的时间系统都是正常工作的，不正常工作的时间不大于5分15秒。
　　
　　然而，系统的高可用性是以牺牲设备容量为代价的。数据中心机房必须满足计算机等各种微电子设备对温度、湿度、洁净度、电磁场强度、噪音干扰、安全保证、防漏、防震、防雷、电源质量和接地等的基本要求；现在又提出了绿色数据中心的概念，其要求是整个机房配电系统要实现数据中心动力及运行环境的管理智能化，对数据中心整个配电系统的运行状态进行有效管理，实时监测IT设备的能耗参数，提高电能利用效力PUE（PowerUsageEffectiveness）并能根据其数据及设备的工作状态进行以下调整：
　　
　　（1）根据设备负载三相不平衡度来调整负载的所在相，降低三相不平衡对设备和电源的影响；
　　
　　（2）根据检测各分支路开关的状态变化来判断开关器件的使用性能是否良好，及时发现并消除故障隐患，保障整个动力系统的运行安全；
　　
　　（3）根据每个机柜的能耗检测数据，通过软件分析各种设备的能耗比，清楚显示整个机房配电系统的PUE值。
　　
　　数据中心的关键负载属于一级负荷中的特别重要负荷，机房为A级机房（对应美国TIA的Ⅳ级）；关键负载供电必须要实现无单点故障，零中断要求，以保证机房内的用电设备的长期、正常运行。为此，其供配电系统设计应按容错系统配置，采用双供电双母线系统（至少2N系统），可用性应在4个“9”（99.995％）以上。
　　
　　根据统计，发生供电故障原因的排序是这样的：人为操作错误、配电部分、蓄电池、场地基础设施。
　　
　　发生供电故障主要原因
　　
　　对于容错系统配置，在电子信息系统运行期间，场地设施不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统运行中断。
　　
　　按照国标要求：电子信息系统机房低压配电系统应采用50Hz、220/380V、TN-S或TN-C-S系统。
　　
　　做好数据中心机房配电设计，还必需弄清负载性质。数据中心机房的负载可分为三类：特别重要负荷、重要负荷和非重要（正常）负荷，每一类负荷处于电路结构中的不同位置；对于特别重要负载，如：服务器、IT设备等，必须要实现无单点故障，零中断要求；重要负载，如：机房空调等，允许短时间（≤15分钟）断电。
　　
　　数据中心供配电系统与其它配电系统的主要区别就是它有特别重要负荷，其必须要实现无单点故障，零中断的供电要求。
　　
　　一个现代化机房是由很多系统构成的，例如：供配电系统、环境控制系统、综合布线系统、安防系统、监控系统等，还有机房装修工程。我认为，其中供配电系统是最重要、最核心的系统。试想：如果其它的系统都做得很好，但机柜供电不稳定或不能供电，那么，特别重要负荷就不能正常工作；甚至根本不能工作，此时机房只能是一个仓库！因此，机房配电系统是至关重要的，处于核心地位。
　　
　　因此，可以说，机房供配电系统的宗旨就是保证机房内用电设备的长期、正常供电。如何实现这一宗旨？我认为应该注重两个方面：一是在设计和施工中遵守国家和行业的相关标准；二是方案要结构合理、性能先进、节能环保、安装和维护方便。
　　
　　UPS应用网：目前国内数据中心的供配电设计水平如何？请谈谈您在这方面的设计经验。
　　
　　田博光：目前国内数据中心的供配电设计比较成熟，但先进性不够；特别是在特大型数据中心方面，例如：机房建筑面积在20万平米以上的，机柜数量在万台以上的，至少我没有了解到这方面的案例。
　　
　　我本人做过中小型数据中心机房供配电的方案设计，但经验不多，目前也在学习、探索阶段。我的体会是：大多数用户缺乏相关的基本知识，有的甚至连自己的要求也说不清楚；他们需要专业指导，设计人员需要与他们反复沟通。设计方案一定要因地制宜，最大化地满足用户要求；同时指导用户合理使用系统。
　　
　　UPS应用网：在数据中心UPS供电系统中，UPS与上级柴油发电机、变压器之间的容量匹配问题在UPS选型时令机房设计人员备受困扰，您在这方面做了很多工作，请介绍您的研究结果。
　　
　　田博光：我认为这是个很重要的问题，但又常常被轻视。为此，我花了相当多的时间研究它们之间的关系――容量关系，并根据自己的工作实践和掌握的理论，写出了《UPS与前级电源之间容量关系的公式推导》一文，推导出它们之间的容量关系，得出四个实用公式，并将实际数据代入公式中，观察各参数对结果的影响，寻找一般规律；希望能够指导今后的实际工作。
　　
　　我还用EXCEL系统编制出公式的计算程序，只要输入几个相关数据就可瞬间得出结果，用起来十分方便。也特别希望有兴趣的技术人员在实际中来验证它们。
　　
　　在现代机房工程中，配置不间断电源UPS系统是必不可少的，UPS设备容量的选择一般按重要负载的大小确定，进而，它的前级电源容量，不论是变压器或柴油发电机，与UPS设备的容量也有对应关系，比例关系。这种比例关系直接决定系统配置是否合理、可靠。过大造成浪费；过小系统不能满足带满载要求且系统运行不稳定。
　　
　　可能有些场地不需要准确地确定UPS前级电源的容量；但我认为，作为系统设计者或有关技术人员，对此应有清楚的概念，而不是模模糊糊，更不能一无所知；这样才能对UPS前级电源的使用情况心中有数。
　　
　　对于UPS的前级电源是柴油发电机，推出的公式为
　　
　　S油机=1.5FUPSS出/{F油ηUPS[1-UK%（1+n（h%）2）]}（1）
　　
　　S油机=FUPSS出/{F油ηUPS[1-UK%（1+n（h%）2）]}（2）
　　
　　对于UPS的前级电源是变压器，推出的公式为
　　
　　S变=2.07FupsS出/{ηUPSF变[1-KUK%（1+n（h%）2）/η变]}，6脉冲整流时（3）
　　
　　S变=1.95FupsS出/{ηUPSF变[1-KUK%（1+n（h%）2）/η变]}，12脉冲整流时（4）
　　
　　从以上推导的公式中可看出：对于前级电源是油机的情况，Fups、h%、n、UK愈大，则S油机也愈大。就是说，UPS的输入功率因数愈高，意味着它从前级电源获取的有功功率就愈大，因而，当油机的功率因数确定后就要有较大的油机容量相适应才行；同样，谐波量、谐波次数、阻抗压降愈大，它对前级电源产生的损耗也大。而F油大，则S油机就小；就是说，油机的输出功率因数愈高，意味着它能给出的有功功率就愈大，因而当UPS的输入功率因数确定后满足所需有功功率时的无功功率就可减少，油机的视在功率就小；提高UPS的整机效率ηUPS对于减少油机容量也有直接的影响。对于前级电源是变压器的情况也是这样。
　　
　　6脉冲整流时，加滤波器后，虽然谐波量大大下降（33%→9%），但UPS输入功率因数明显提高（0.8→0.93），对油机容量的要求也提高了。可见，UPS输入功率因数对油机容量的影响比其谐波量的影响大得多；所以提高UPS输入功率因数会加大对油机输出容量的要求。
　　
　　12脉冲整流时，加滤波器后虽然谐波量降低（10%→5%）了，但UPS的输入功率因数没有变化，使得油机输出容量与UPS输出容量的比值也没有什么变化。这样，在选型时可指导用户对于12脉冲整流的UPS就不要再加滤波器了，除非有输入谐波量的要求。
　　
　　在式（1）、（2）、（3）和（4）中，谐波次数（n）和谐波量（h%）是通过阻抗压降（UK%或KU%/η变）因子作用的，而1>>UK%的，所以n和h%的变化对计算结果影响不大；从实际物理分析也是这样，谐波成分的影响是通过漏阻抗产生的。只有Fups、F油（或F变）和ηUPS的变化对结果有较大的直接的影响。
　　
　　另外，需要说明的是：实际油机的选型往往比计算的要小，以降低成本，可在运行中又未发生什么问题。这是因为实际中的负载一般较满载小得多，且UPS使用中最大负载量一般在额定值的70%--80%，甚至更低，很少满载使用，而现场一般也不做满载试验；因而由此导致的问题就没有暴露出来。如果以上推算正确的话，那么，在油机（或变压器）选型时就应该作为依据，这对于整个系统在额定状态下正常运行是必须的！
　　
　　UPS应用网：UPS的输出端重复接地问题以及隔离变压器设置问题，请谈谈您的看法。
　　
　　田博光：按照国家标准,“电子信息系统机房内的低压配电系统不应采用TN-C系统。电子信息系统机房低压配电系统应采用50Hz、220/380V、TN-S或TN-C-S系统。”，实际中，一般采用TN-S系统。重复接地主要针对TN-C系统，其好处主要是降低零线上的压降损耗；在保护零线发生断路后，当电器设备的绝缘损坏或相线碰壳时，零线重复接地还能降低故障电器设备的对地电压，减小发生触电事故的危险性。
　　
　　在TN-S（三相五线制）系统中，零线是不允许重复接地的；因为如果中性线重复接地，三相五线制漏电保护检测就不准确，无法起到应有的保护作用。另外，在这种接地系统中，设备外壳通过PE线牢固接地，不存在当电器设备的绝缘损坏或相线碰壳时发生触电事故的问题；相反，如果零线重复接地了，当人体触到带电部位时则极易发生触电事故。
　　
　　UPS的输出端重复接地本意是想降低零－地电压。首先零－地电压的产生主要是三相负载不平衡造成的，因此，根本的解决办法是平衡三相负载；其次是加装隔离变压器，以此缩短零线距离，减少零线阻抗，进而降低零－地电压。
　　
　　因此，我不同意在UPS的输出端重复接地；如果设置隔离变压器，其输出端到负载端的距离也不能很长。
　　
　　UPS应用网：有专家提出数据中心采用直流供电方式，以及研发直流UPS,请谈谈您所了解的情况。这种直流供电系统适用于哪些类型的数据中心？推广应用之前需要解决哪些问题？
　　
　　田博光：我极力主张在数据中心机房供电中用直流供电系统，这是由数字设备的直流供电
　　
　　需求和交流UPS原理所决定的；并为此发表了《对于交流不间断电源（UPS）的新思路》的论述。
　　
　　目前，UPS的主要工作原理就是双变换，即先将市电的交流整成直流，再将直流逆变成交流。这是因为交流电不能储存，直流电可以储存；负载需要交流电而不是直流电。但事实上，机房中大部分负载是数字设备，其内部用的都是直流电！例如：台式计算机（服务器）的内部用电为±12VDC和±5VDC，笔记本电脑内部用电为16VDC，液晶显示屏内直流电源为12VDC，交换机内直流电源为48VDC，路由器内直流电源为5--24VDC（一般外配9VDC的适配器），等等。
　　
　　由此，可以设想：将交流整成直流的一个变换，再变换（不是逆变），形成不同等级的直流电压，例如：16VDC、±12VDC、9VDC、±5VDC等，以电池组作为后备支持；以直流方式供给负载使用或统一成一种等级的直流电压供给负载使用；当然，所有数字设备的直流电源也要统一成一种等级。这就是一种单变换的直流UPS系统。
　　
　　其实，传统电信机房中的直流48V供电系统就是直流不间断电源，现在只是想把这种供电方式延伸到数据中心机房。我看到论述这方面的文章很少，可能是因为这个题目太大了，涉及的面太广。确实，在推广这种方案前有很多工作要做，其中主要是涉及两大方面：一是负载（数字设备）电源要按直流供电方式设计并尽量统一等级，例如：15V或24V。二是研制直流不间断电源系统。这些需要社会化协作，不是一家企业能完成的。
　　
　　从发展趋势看，这种直流供电系统适用于所有类型的数据中心。
　　
　　试想：今后计算机设备可制成两种类型：机房用和民用。机房用的以直流方式供电；民用的还是以交流（220V）方式供电。
　　
　　数据中心采用直流供电系统最大好处就是节能；因为它省去了不少变换环节和同步设备。不间断供电也不间断耗能，所以，这种改进值得去做。我常想：人们在做事时，好比要从A点到达B点，如果有选若干条路径可选，那末，自然会选择最短路径，而不会去绕远。在实际做事中，却往往没有选择最短路径；其原因是：不能认识到还有更短路径；或认识到了但执行很难。我认为：数据中心采用直流供电系统的问题属于第二种情况。
　　
　　UPS应用网：国内大型数据中心的建设方兴未艾，供配电系统设计将面临哪些挑战？对于大型数据中心的高能耗问题您有何建议？
　　
　　田博光：“云计算”的出现，体现了中国的一句名言：分久必合。无论数据还是业务都趋于集中化。大型数据中心的建设需求增多也是必然。
　　
　　大型数据中心供配电系统的明显特点就是巨量的供电功率需求；例如：施耐德曾参建了在美国LasVegas的沙漠中建立的一个数据中心，总建筑面积为28.2万平米，总供电容量为500MVA，294MVA的UPS供电系统，31,000个机柜，功率密度为15kW/机柜。这样的巨量供电功率带来两个更加突出的问题：高可信度与节能。它们都需要在设计阶段严格考虑。
　　
　　可信度问题前面已经讲过。大量的设备带来大量的耗能。因此必须考虑节能，它包括选择耗能低的设备和优化系统设计方案，适度冗余。机房中，比较耗能的设备有：变压器、UPS系统、空调系统和照明系统；因此，在设计方案时，其设备选型和结构布置就十分重要。不论是设备冗余还是母线冗余，都是增加可用性的手段。但是前面讲过了：高可用性是以牺牲设备容量为代价的。
　　
　　另外，在设计中尤其要特别注重可再生能源和自然冷源的利用；这是实现绿色数据中心的核心内容。
　　
　　如果以上都做好了，那么，电能利用效率（PUE）自然就能趋近理想指标。
　　
　　UPS应用网：关于数据中心设计标准，GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》即将进行修订，您觉得该标准的哪些部分已脱离了目前的设计工作，需要进一步补充、完善？请提出您的宝贵意见。
　　
　　田博光：我对《电子信息系统机房设计规范》GB50174—2008没有做过深入学习和研究，因而提不出有价值的看法，只有如下体会，仅供参考。在该标准中：
　　
　　8.1.12A级电子信息系统机房应配置后备柴油发电机系统，当市电发生故障时，后备柴油发电机应能承担全部负荷的需要。
　　
　　8.1.13后备柴油发电机的容量应包括不间断电源系统、空调和制冷设备的基本容量及应急照明和关系到生命安全等需要的负荷容量。
　　
　　在8.1.12中，“全部负荷”是否指机房的全部负荷？如是，与8.1.13中的描述不一致！建议：以上两条统一为一条。
　　
　　8.1.8电子信息设备的末端配电装置应采用专用配电单元，专用配电单元应靠近用电设备安装。
　　
　　8.1.9专用配电单元宜配备浪涌保护器（SPD）、电源监控和报警装置，并提供远程通信功能。其输出端中性线与PE线之间的电压宜小于1V，中性线与PE线之间的电压不能满足设备使用要求时，宜配备隔离变压器。
　　
　　当今在机房中普遍采用的精密配电柜（或称为智能配电柜）可能是针对以上条目而产生的，该设备在国内生产厂家越来越多，质量、性能各异，是否能对其给出定义和规范？就像列头柜一样。以使得生产厂家和用户有标准可依循；这对于规范机房建设应是很有好处的。
　　
　　另外，我认为精密配电柜与列头柜是不一样的，不能混为一谈，以下是它们的比较；从实际运行需求和机房现状看：
　　
　　精密配电柜与列头柜之间的相同点：
　　
　　（1）相比普通配电柜，柜体制作和布线工艺都比较精良。
　　
　　（2）都具有比较完善的电量监测功能并提供RS232、RS485及网络接口。
　　
　　（3）输出支路都可设置热插拔和调相功能。
　　
　　（4）都是服务器供电终端。
　　
　　精密配电柜与列头柜之间的不同点：
　　
　　（1）列头柜放在机柜列的端头；精密配电柜放在靠近UPS系统的位置。
　　
　　（2）列头柜的柜体外形、颜色与机柜柜体一致；精密配电柜的柜体不受此限制。
　　
　　（3）列头柜内部不放置隔离变压器；精密配电柜内通常放置隔离变压器。
　　
　　（4）列头柜内可不设置总开关；精密配电柜内必需设置总开关。
　　
　　（5）列头柜只针对本列机柜供电，容量不会很大，一般100kVA左右；精密配电柜针对整个机房的机柜供电，容量较大。
　　
　　（6）列头柜的输入经配电系统接UPS系统输出；精密配电柜直接接UPS系统输出。
　　
　　（7）列头柜用于中大型机房中；精密配电柜用于中小型机房中。
　　
　　（8）列头柜为成行排列的机柜提供网络布线或电源配线（交流或直流）管理或传输服务，精密配电柜只针对交流配电。
　　
　　（9）列头柜内可加装静态转换开关STS，精密配电柜中不能加STS。
　　
　　（10）列头柜在国标中有定义，精密配电柜在国标中没有定义。
　　
　　编辑：Andly

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